渤海jz20-2uq導(dǎo)管架式海洋平臺110比例模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

渤海jz20-2uq導(dǎo)管架式海洋平臺110比例模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

海洋平臺結(jié)構(gòu)是海洋平臺中最常見的形狀之一。海洋平臺在動態(tài)振動的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和振動控制方面一直受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，并對各種控制方法進(jìn)行了深入研究。渤海海溝20-2muq平臺是jz20-2氣田的生活動力平臺。冰激振動和地震是該海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要控制條件。王立宇等采用tsd方法對平臺進(jìn)行了理論和實驗分析，歐金平等調(diào)查了平臺結(jié)構(gòu)的兵動控制措施和實施方案，主要調(diào)整了抗冰縮震的傾斜防護(hù)、粘度或滑動、甲板振動裝置和生活層振動源。被動振動控制方案，如粘度彈、粘度橫截面、動態(tài)振動控制方案和動態(tài)振動控制，歐金平、王剛等在模型結(jié)構(gòu)的衰減、磁流阻尼器的智能振動、，本文在分析振動模型結(jié)構(gòu)的新的高性能振動驅(qū)動器的優(yōu)點和缺點時，研究了磁流阻尼器，并取得了最佳效果。磁流衰減裝置是一種智能減壓裝置，具有快速響應(yīng)的速度，低能耗，結(jié)構(gòu)簡單。它是結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域中新型有效振動驅(qū)動器。歐金平、楊吉等在分析振動源方面控制平臺結(jié)構(gòu)，并在數(shù)值分析方面取得了一些進(jìn)展。在本文中，我們分析了jz20-2muq波戰(zhàn)艦?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的參數(shù)影響，并確定了該模型結(jié)構(gòu)中隔震橡膠墊和磁流阻尼器的基本含義。在不同的地震作用下，分析模型結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)時間，驗證了控制裝置參數(shù)的合理性和控制方案的可行性，為平臺實驗提供了數(shù)據(jù)和理論保證。1海洋平臺隔震體系采用JZ20-2MUQ海洋平臺結(jié)構(gòu)的物理相似比為1∶10的比例模型進(jìn)行數(shù)值分析.平臺模型的質(zhì)量絕大部分集中在甲板組塊和生活區(qū)組塊,因此可以將其簡化為單自由度模型.實測模型總質(zhì)量為m=3750kg,總高度為H=6.46m.初步實驗測得模型自振頻率為ω=4.2Hz,剪切剛度為k=2611.5kN/m,阻尼比為ξ=2.7%,阻尼系數(shù)為c=5.3438kN/m.對海洋平臺模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼隔震.在平臺導(dǎo)管架端帽與上部甲板之間設(shè)置阻尼隔震層,隔震層由疊層橡膠墊和磁流變阻尼器共同組成.由橡膠墊承擔(dān)上部甲板層的全部豎向荷載,水平剪力由橡膠墊和阻尼器共同承擔(dān).模型結(jié)構(gòu)和阻尼隔震方案如圖1和2所示,阻尼隔震結(jié)構(gòu)簡化為兩自由度結(jié)構(gòu),如圖3所示.根據(jù)計算,簡化模型與原結(jié)構(gòu)的有限元模型計算結(jié)果差別很小,可以認(rèn)為這種簡化是合理的.基本參數(shù)為:甲板以上部分結(jié)構(gòu)m1=200kg,k1=2611.5kN/m,c1=5.3438kNs/m,甲板以下導(dǎo)管架部分m2=3750kg,k2和c2要根據(jù)平臺隔震體系的控制條件進(jìn)行分析和設(shè)計,結(jié)構(gòu)隔震層布置如圖4所示.隔震系統(tǒng)的振動方程式如下:式中,x1、x2分別為首層和隔震層的絕對位移;xg為地面位移;其他參數(shù)含義與前面一致.對模型結(jié)構(gòu)分別輸入三種地震波加速度進(jìn)行數(shù)值分析:ElCentro波,峰值加速度為300gal,時間相似比為1∶2;Taft波,峰值加速度為150gal,時間相似比為1∶1.54;天津波,峰值加速度為200gal,時間相似比為1∶5.為了考慮結(jié)構(gòu)的最不利變形,地震作用的時間相似比通過共振分析獲得.2結(jié)構(gòu)的剛度比和阻尼比為了確定隔震層的剛度和阻尼,考查了結(jié)構(gòu)剛度比和阻尼比對平臺控制效果的參數(shù)影響.在不同地震作用下,隔震結(jié)構(gòu)的剛度比和阻尼比對平臺結(jié)構(gòu)控制效果的影響如圖5和6所示.圖中xum和aum分別是平臺結(jié)構(gòu)無控情況下導(dǎo)管架端帽處的水平位移最大值和甲板層水平加速度最大值,xi1m、ai2m和(xi2-xi1)m分別是阻尼隔震控制下導(dǎo)管架端帽處的水平位移最大值、甲板層水平加速度最大值以及阻尼隔震層的層間水平變形最大值,k2/k1是結(jié)構(gòu)的剛度比,ξ是隔震層的阻尼比.根據(jù)以上分析可以看出,雖然不同地震波作用下,剛度比與阻尼比對結(jié)構(gòu)減震效果的影響不盡相同,但是其基本規(guī)律是一致的,綜合考慮剛度和阻尼的影響,選擇了結(jié)構(gòu)剛度比為:k2/k1=0.6,從圖5和6中可以看出阻尼比的變化對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響較小,而高阻尼的造價相對較高,因此選擇隔震層疊層橡膠墊的阻尼比為ξ=5%,根據(jù)k1計算得到k2=1566.9kN/m,其相應(yīng)的阻尼系數(shù)為c2=29.620kNs/m.3滯回模型的建立簡化的磁流變阻尼器阻尼力Fs的計算公式如下所示:式中,c是擬合系數(shù),需要通過阻尼器的性能試驗獲得,v是剪切速率,f是摩擦力,也需要通過試驗得到.根據(jù)對兩個磁流變阻尼器器件性能的試驗結(jié)果,如圖7所示,數(shù)值計算中阻尼器相關(guān)參數(shù)取值如下:c=10kN.s/m,f最小值=1kN,f最大值=10kN,f與電流變的函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜,由于不是本文的重點,所以不在這里詳述,只給出其變化范圍.根據(jù)以上參數(shù),可以由公式(3)得到磁流變阻尼器的滯回模型,如圖8所示,圖中給出數(shù)值分析中使用的限位型磁流變阻尼器的滯回模型,以及零電場和滿電場作用下擬粘滯型磁流變阻尼器Passiveoff和Passiveon的滯回模型.對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼隔震控制,阻尼器的滯回模型采用以下幾種方式:(1)零電場作用下的阻尼器擬粘滯型滯回模型被動控制;(2)滿電場作用下的阻尼器擬粘滯型滯回模型被動控制;(3)變電流限位型阻尼器滯回模型被動控制;(4)半主動控制,半主動控制策略如下所示:4滿電場作用的控制在三種地震作用和不同控制方法情況下,平臺模型結(jié)構(gòu)數(shù)值計算的反應(yīng)最大值列于表1中.從結(jié)構(gòu)時程分析結(jié)果可以看出:當(dāng)磁流變阻尼器零電場作用下,導(dǎo)管架端帽位移和甲板層加速度控制效果較好,對隔震層層間變形的控制效果稍差,這主要是由于零電場作用下磁流變阻尼器的控制力較小,所以對隔震層層間變形無法起到很好的控制效果;在滿電場作用下,隔震層層間變形控制效果較好,導(dǎo)管架端帽位移和甲板層加速度控制效果稍差,這主要是由于滿電場作用下磁流變阻尼器的控制力過大,雖然對隔震層層間變形的控制起到了較好的控制,但對另外兩種結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制效果反而變差;限位型阻尼控制對三者的控制效果都較好,雖然限位型阻尼控制是一種被動控制,但是由于阻尼器滯回性能好,所以也達(dá)到了比較理想的控制效果;半主動控制的效果最好,對各種結(jié)構(gòu)反應(yīng)都有比較均衡的控制效果,各項控制效果都達(dá)到40%以上.從另一個方面來看,當(dāng)隔震層的層間剛度較小時,對導(dǎo)管架端帽位移和甲板層加速度的控制效果較好,但是隔震層層間變形稍大;相反,當(dāng)隔震層層間剛度較大時,對隔震層層間變形的控制較好,而對其它兩者控制效果稍差.總的來看,采用隔震橡膠墊與磁流變阻尼器結(jié)合,作為結(jié)構(gòu)隔震層的控制裝置,是一種有效的控制方法.尤其是采用半主動控制的方法,對結(jié)構(gòu)各項動力反應(yīng)都能起到很理想的控制效果.如果合理設(shè)計磁流變阻尼器的滯回模型,可以大大改善結(jié)構(gòu)被動控制的效果,還有可能在被動控制時達(dá)到半主動控制的效果.5約束參數(shù)條件的確定本文對渤海JZ20-2MUQ導(dǎo)管架式平臺磁流變阻尼隔震的1∶10比例模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔震層參數(shù)影響分析和阻尼器性能實驗,確定了隔震裝置的基本參數(shù),并制定了相應(yīng)的阻尼器智能控制方案,對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種地震作用下的時程反應(yīng)分析,得到了以下結(jié)論:(1)在不同地震波作用下,剛度比與阻尼比對結(jié)構(gòu)減震效果的影響盡管不同,但其基本規(guī)律是一致的,通過參數(shù)影響分析可以確定比較合理的隔震層基本參數(shù);(2)根據(jù)磁流變阻尼器的性能試驗結(jié)果,確定數(shù)值分析中磁流變阻尼器的基本參數(shù).從結(jié)構(gòu)響應(yīng)時程分析結(jié)果可以看出:當(dāng)磁流變阻尼器零電場作用下,導(dǎo)管架端帽位移和甲板層加速度控制效果較好,對隔震層層間變形的控制效果稍差;在滿電場作用下,隔震層層間變形控制效果較好,導(dǎo)管架端帽位移和甲板層加速度控制效果稍差;限位型阻尼控制對三者控制效果都較好;半主動控制的控制效果最好